微生物-矿物相互作用是影响元素地球化学循环的重要过程，矿山环境中硫化物分解导致的重金属污染受到广泛的关注。该分解过程是一个微生物参与的涵盖了生物作用和物理化学作用的复杂体系。微生物分解矿物的同时引发的环境变化又影响微生物的各种代谢，两者密不可分。氧化亚铁硫杆菌的蛋白基因表达变化在微生物矿物相互作用过程中起着关键性作用。研究相关基因在不同环境压力下表达变化，对分析氧化亚铁硫杆菌如何通过调节自我代谢过程来适应寡营养环境至关重要，为进一步了解和挖掘微生物对矿物的吸附、分解和相互调节过程提供了平台和研究方向。本文选择黄铁矿与氧化亚铁硫杆菌（Acidothiobacillusferrooxidans简称A.ferrooxidans）进行培养。一方面通过观察微生物—矿物体系表界面结构的变化探讨氧化亚铁硫杆菌对矿物分解作用。另一方面，研究氧化亚铁硫杆菌吸附蛋白种类、数量和状态变化，探讨功能蛋白参与矿物分解的机制。　　本文主要从以下几个部分展开论述：　　第一部分 氧化亚铁硫杆菌对金属硫化物的分解作用　　目的：　　从黄铜矿区的酸矿水(AMD)中分离并纯化氧化亚铁硫杆菌，探索和优化培养条件，并观察其对黄铁矿的分解作用。　　方法：　　1、分离和纯化培养氧化亚铁硫杆菌，扩增其16SrRNA序列，并进行测序和数据库比对分析鉴定其为嗜酸性氧化亚铁硫杆菌。　　2、优化培养基，并通过测定氧化亚铁硫杆菌的生长和氧化曲线来监控驯化过程。　　3、利用扫描和透射电镜技术观察氧化亚铁硫杆菌氧化分解黄铁矿的导致的形貌变化和菌体超微结构的变化。　　结果：　　1、我们从矿区的酸矿水中通过功能培养基的划线分离法筛选出一株菌，通过16SrRNA的序列测序和数据库比对，鉴定其为一株嗜酸性氧化亚铁硫杆菌。与氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC23270)16SrRNA序列相似度达到99％。　　2、培养基中加入少量的柠檬酸钠，调节pH值为1.8，次生矿物黄钾铁矾的生成量大大下降。通过半连续培养法驯化培养，氧化亚铁硫杆菌的生长和氧化过程趋于稳定。40小时候进入对数期，且48小时内亚铁离子完全氧化。10L培养基可以获取20 mg以上的氧化亚铁硫杆菌纯菌种（湿重）。　　3、氧化亚铁硫杆菌对黄铁矿的吸附受到亚铁离子浓度的影响，在充足的亚铁离子供给条件下，氧化亚铁硫杆菌能够矿物表面产生大量的侵蚀坑并有大量的细菌附着，氧化作用强烈。而亚铁离子浓度很低时，矿物表面的细菌附着量显著减少，侵蚀坑数量大大下降并呈线性排列，矿物表面的分解作用较弱。在氧化亚铁的过程中，氧化亚铁硫杆菌菌毛数量显著增加，内部电子密度高的颗粒数量大大提高。　　结论：　　1、在酸矿水中成功分离出了一株氧化亚铁硫杆菌，其同源性与氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans ATCC23270)达到99％。　　2、通过改进培养基配方和半连续培养，氧化亚铁硫杆菌的生长和氧化速度都趋于稳定，为后面的实验奠定了物质基础。　　3、氧化亚铁硫杆菌对黄铁矿的分解作用受到微环境中亚铁离子浓度影响，高浓度的亚铁离子加速黄铁矿的分解作用，提高氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿表面的吸附菌量。随着亚铁离子的氧化，氧化亚铁硫杆菌菌毛数量显著增多，内部的高电子密度颗粒增加。　　第二部分 氧化亚铁硫杆菌吸附相关功能蛋白组成及其作用　　目的：　　1、利用蛋白组学技术手段分析氧化亚铁硫杆菌在Fe2+氧化过程中功能蛋白的变化并探讨其在该过程中的作用。　　2、采用微生物-矿物模拟实验的方法，通过检测重要蛋白其基因表达水平，分析基因在微生物矿物相互作用过程中的作用。　　方法：　　1、提取氧化亚铁硫杆菌氧化Fe2+过程中的全蛋白并进行蛋白组学分析。筛选差异蛋白的种类，表达丰度变化以及功能。　　2、用RT-PCR技术检测这些蛋白相应基因的表达情况，验证蛋白组学分析结果。　　3、通过模拟氧化亚铁硫杆菌和黄铁矿相互作用，分析外环境的不同状态下氧化亚铁硫杆菌对黄铁矿的吸附量变化，吸附相关基因的表达变化。分析微生物对矿物分解的积极因素以及外环境对矿物分解过程的影响。　　结果：　　1、通过蛋白质组学分析，31种蛋白在整个氧化过程中表达上升。其中p30、pilQ和Adhesins是氧化亚铁硫杆菌吸附能力相关的三种蛋白，他们在Fe2+氧化过程中显著上调。通过pfam数据库比对，我们证实其功能涉及到生物吸附、菌毛合成以及菌毛运动。通过RT-PCR检测发现，基因表达与蛋白组学分析结果一致。　　2、通过模拟实验，在较高的亚铁浓度下，固着细菌的数量在吸附的初期快速升高，游离细菌具有很高的吸附活性导致了矿物表面大量的菌落积累。而很低的亚铁离子浓度环境下，吸附作用受到明显抑制且不具有时间依赖性。p30、pilq和pilY（编码Adhesins的基因）的表达也相对较低。玻璃代替黄铁矿后吸附情况仍受到亚铁离子浓度的影响。抑制剂AHLs可以显著降低三种基因的表达量，同时抑制了氧化亚铁硫杆菌在矿物表面的吸附。　　结论：　　1、通过蛋白组学分析3种与矿物吸附有关的蛋白在Fe2+氧化过程中出现高表达。　　2、氧化亚铁硫杆菌与黄铁矿的相互作用过程中，营养条件制约氧化亚铁硫杆菌在黄铁矿表面的吸附。Fe2+充足时细菌吸附量迅速增加，而Fe2+不足对吸附是不利的。抑制剂可以显著减少氧化亚铁硫杆菌对矿物的吸附。　　3、吸附相关基因表达也受到营养条件和抑制剂的影响。表达水平的升高与抑制与黄铁矿表面吸附情况一致。　　第三部分 氧化亚铁硫杆菌在生长和氧化过程中的补偿现象　　目的：　　氧化亚铁硫杆菌饥饿胁迫后补充营养，观察其生长速度和亚铁氧化速度是否具有补偿现象。通过矿物表面形貌、超微结构和基因表达水平的改变探讨补偿现象出现的原因。　　方法：　　1、对氧化亚铁硫杆菌纯培养、氧化亚铁硫杆菌与黄铁矿相互作用以及氧化亚铁硫杆菌冷休克条件下进行饥饿胁迫，模拟不同条件下的饥饿补偿现象。　　2、对饥饿补偿实验中细菌的生长曲线和亚铁氧化曲线进行测定。判断其是否存在补偿效应。　　3、通过基因表达分析，探讨影响氧化亚铁硫杆菌饥饿补偿的机制。　　结果：　　1、氧化亚铁硫杆菌经过饥饿胁迫后恢复足够的亚铁离子后，生长速度在前8小时较慢，随后显著提高并超过对照组。亚铁离子氧化速度则在饥饿胁迫后显著提高，补偿效应在亚铁氧化过程更加明显。　　2、铁代谢相关基因的表达量在饥饿补偿时均出现下降。rus基因在饥饿后表达量显著提高，可能与Fe2+氧化速度加快有关。而碳链合成有关的基因cbbL, csoS3，cspC和sigECF的表达则在补偿作用时显著升高。　　3、添加黄铁矿和冷处理联合作用时，饥饿补偿效应变的不明显。生长速度和氧化速度均没有显著差异。铁代谢和碳链合成相关基因表达水平也受到干扰，cbbL, csoS3，cspC和sigECF在8小时内表达升高，而其他基因没有显著差异。铁代谢基因补偿出现时表达下降，而碳链合成相关基因则出现了补偿升高。其中rus和cspC基因的表达具有特殊性，rus基因在补偿作用中表达不断升高，黄铁矿和冷处理后均抑制了rus基因的表达。在冷处理后cspC的表达量较饥饿胁迫组更高。　　结论：　　1、氧化亚铁硫杆菌饥饿处理后具有补偿效应，具体表现在细菌生长速度加快和亚铁离子氧化加快。　　2、黄铁矿存在和冷处理使得补偿效应不明显。表现在生长和氧化速度没有显著差异。　　3、铁代谢基因补偿出现时表达下降，而碳链合成相关基因则出现了补偿升高。基因表达说明了氧化亚铁硫杆菌对环境胁迫具有基因水平的反应。补偿作用对于氧化亚铁硫杆菌适应多种寡营养环境是有利的。